马兰矿切顶卸压沿空留巷技术的应用研究

杨建立

摘 要：为了解决沿空留巷开采技术所导致的巷道围岩变形问题，本文以马兰矿62711工作面为研究背景，通过理论计算给出了顶板的弯矩及拉应力计算公式，并利用数值模拟软件对不同切顶高度下留巷的巷道围岩垂直应力及支撑应力进行分析，发现随着距工作面距离的增大，垂直应力出现的范围距离留巷的距离逐步增大，支撑应力的峰值向着两帮的上端部转移。同时确定合理的切顶高度为6m，为留巷变形严重的治理提供一定的借鉴。

关键词：沿空留巷;数值模拟;切顶高度;支撑应力

1 前言

随着，矿井采掘深度的不断延伸，开采逐步向着深部进发，但采掘到深部时巷道的稳定性受到高应力的作用，常常会发生变形等失稳现象，所以在采掘深度较大时常常利用煤柱护巷，但考虑到资源的浪费，所以学者提出无煤柱切顶卸压开采技术，此技术是对沿空留巷技术的创新，不仅提升了巷道的稳定性，同时有效的回收了资源。此前刘文伟[1]利用数值模拟软件对不同切顶高度及不同切顶角度下围岩的垂直应力进行分析，发现卸压后沿空留巷的稳定性得到了较好的改善。本文以马兰矿62711工作面为研究背景，通过FLAC-3D数值模拟软件对马兰矿切顶卸压留巷技术进行研究，对不同切顶参数下巷道的围岩应力分布情况作出研究，为切顶卸压留巷开采技术提供一定的参考。

2 理论分析

沿空留巷切顶卸压开采技术是在原有的沿空留巷技术的基础上进行升级，不仅对巷道围岩的应力集中现象进行了优化，同时克服了巷道变形大的问题。此技术需要在回采工作面进行预裂爆破，将采空区的顶板进行定向垮落，由于岩石本身具有的碎胀性对采空区进行填充，以此来达到支撑围岩的作用，这样不仅可以控制覆岩的变形也可以控制围岩的变形，达到安全开采的目的。在采空区由于直接顶岩性较为坚硬，多为砂岩顶板，在初次垮落后坚硬顶板形成悬顶，坚硬悬顶不易发生垮落，造成巷道围岩变形大，同时悬顶一旦发生垮落，垮落的悬顶会造成沖击灾害。沿空留巷力学模型示意图如图1所示。

如图1所示支撑应力P（X）可以简化为三角分布的情况，其中Pi为第i根支柱的支护阻力;q为覆岩对坚硬顶板的均匀载荷;T为悬顶的厚度;LR为沿空留巷宽度;Lo为断裂长度;L为悬顶的长度。

M_p+J_ε=M

Mp为沿空留巷巷内支柱阻力力矩;M为顶板的载荷力矩;J为顶板绕O点的转动惯量;ε为顶板绕O点的转动加速度。

3 数值模拟研究

根据马兰矿62711工作面实际情况对切顶工作面进行模型建立，模型的长宽高分别为284m、5m和114m，将模型的各边界进行固定约束设定，在模型的上端部进行上覆岩层自重设置，岩层的自重经过计算可以得出为10MPa，在模型的X和Y方向上施加水平应力分别为12MPa和8MPa，完成模型载荷设定后，对模型的力学参数进行设置，对不同切顶高度下巷道围岩变形情况进行分析，切顶高度分别选择为4m、6m和8m。通过对不同切顶高度下垂直应力变化分析可知，当切顶4m留巷时围岩的应力集中主要出现在围岩的左侧位置，最大应力值36.3MPa，应力的集中系数为3.3，在巷道巷帮应力集中区域主要集中在距离巷帮3.8m的位置，这对于巷道的支护及围岩的控制相对较差，巷道的维护成本增大，造成留巷的失败。当切顶高度增大至6m时，此时应力集中出现在距离左侧两帮较远的位置，此时的应力最大值为35.9MPa，应力的集中系数为3，同时应力集中范围在距离左侧两帮14.5m的位置，此时应力集中范围距离留巷较远，对留巷的影响较小，对于留巷的维护较为有利。当切顶高度为8m时，此时应力集中范围出现在左侧15.3m的位置区域，应力的最大值为35.3MPa，应力的集中系数为3，此时与切顶高度6m时的切顶效果较为类似，对留巷的维护较为便利。对比三种切顶高度下的应力峰值可以看出，切顶高度对切顶后垂直应力的峰值影响较小，但随着切顶高度的增大，巷帮的应力集中范围出现的区域距离留巷长度逐步增大，留巷的维护难度逐步降低。在巷道两帮的中心位置、两帮上端及4m及9m的位置分别布置4条检测线，用于检测围岩侧向支撑压力的变化情况。支撑压力分布图如图2所示。

根据图2可以看出，当切顶高度4m时，此时四个监测点的支撑应力随距离两帮长度变化趋势大致类似，随着距两帮距离的减小，支撑应力出现先增大后减小的趋势，当距两帮5m的位置时出现应力的最大值，在距离两帮15m范围内支撑应力快速增大，此时对两帮岩石的整体性有较大的影响，不利于巷道的支护。当切顶高度增大至6m时，此时三条监测线的趋势也类似，在距离两帮10m的范围内出现支撑应力的快速增大，在距离两帮4m的位置出支撑应力最大值，应力峰值从两帮的深部向上端部转移，对巷道的稳定性较为有利。当切顶高度为8m时，此时支撑应力变化趋势大致相同，在两帮上侧4m的位置出现应力最大值，应力峰值出现在距离煤壁10m的范围内，切顶效果与切顶高度6m时几乎类似，有利于浅部岩层的稳定性维护。对比可以看出，当切顶高度为4m时在两帮上侧出现支撑应力的最大值，而切顶高度6m和8m的支撑应力最大值出现在两帮上侧4m的位置，可见随着切顶高度的增大，支撑应力的峰值向着两帮的上端部转移。

结合分析可知，切顶高度6m和8m留巷的支护效果较为类似，而切顶高度为6m时更为经济合理，且切顶6m较切顶4m的切顶效果较为理想，对于留巷的支护及稳定性都有着较好的提升，所以合理的切顶高度选择为6m。

4 结论

①分析了沿空留巷切顶卸压开采技术的原理及坚硬顶板的力学模型给出了坚硬顶板的弯矩及拉应力表达公式。根据对不同切顶高度下围岩的垂直应力分布情况进行分析，发现随着切顶高度的增大，巷帮的应力集中范围出现的区域距留巷距离逐步增大，留巷的维护难度逐步降低;②根据对不同切顶高度下围岩支撑应力分布进行分析，发现随着切顶高度的增大，支撑应力的峰值向着两帮的上端部转移。同时选定最合理切顶高度为6m。